Rétrogression de la résistance des ciments de puits à haute température : origines microstructurales et méthodes de remédiation – THWellCement

Dans la structure des puits pétroliers et géothermie une gaine de ciment est placée entre la roche et le tubage pour la stabilité et l’étanchéité de puits. Ce projet concerne l’intégrité de cette gaine de ciment dans les zones de haute température (>110°C, en-dessous de 4km profondeur). L’hydratation de ciment sous haute température résulte en une rétrogression de la résistance, en forme d’une diminution progressive des propriétés mécanique et une augmentation significative de la perméabilité. Ce phénomène est généralement remédié en ajoutant une quantité suffisante de silice, habituellement 35% de poids de ciment, à la composition de la pâte de ciment. Nous proposons une étude expérimentale multi-technique et multi-échelle pour explorer les origines microstructurales de ce phénomène et son influence sur les propriétés mécanique et la perméabilité du matériau. Un défi important pour un tel projet est la fabrication d’un nombre suffisant de l’éprouvette sous conditions de température et pression contrôlées pour différentes gammes de température, temps d’hydratation et la composition du ciment. Nous proposons la conception et la fabrication d’un système multi-cellule pour la maturation de ciment avec un ensemble de 6 à 8 cellules avec la possibilité de contrôle indépendant de pression et de température jusqu’à 150 MPa et 200°C. Ces cellules seront en plus équipées des systèmes de mesures de vitesses des ondes P et S, permettant un suivi continue de l’évolution des propriétés mécaniques des ciments en cours de prise. Les éprouvettes préparées seront soumises à une caractérisation détaillée de la microstructure à l’aide d’une méthode multi-technique incluant les essais de XRD avec l’analyse de Rietveld, TGA, porosimétrie au mercure, 1H NMR, Si NMR, Al NMR et les mesures de retrait chimique. Les propriétés à l’échelle macroscopique des éprouvettes préparées, incluant les propriétés mécaniques et la perméabilité, seront étudiées en réalisant des essais uniaxiaux, ainsi que les essais triaxiaux et mesures de perméabilité dans une cellule triaxiale HP-HT. La caractérisation quantitative de la microstructure de ciment sera utilisée dans un modèle multi-échelle d’homogénéisation, avec les propriétés macroscopiques mesurées, pour construire un modèle micromécanique prédictif pour la rétrogression de la résistance de la pâte de ciment et sa remédiation.